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• Amalio Mago

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Procesos de Manufactura II – Ing. María A. Noguera G.

Tema No. 2. Maquinabilidad Objetivo general: Introducir al participante en los factores principales que afectan la maquinabilidad de los metales. Contenido programático:  Generalidades.  Diseño de herramientas.  Geometría de la herramienta e influencia de los ángulos.  Formación y Tipos de Viruta.  Desgaste de herramientas.  Influencia del material de trabajo.  Influencia de las Condiciones de Corte (Velocidad, Avance y Profundidad).  Relación entre: Desgaste de Herramienta, Calidad de la Superficie y Energía Consumida. Generalidades: La maquinabilidad, que es una propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados por arranque de viruta. Los materiales con mejor maquinabilidad requieren potencias y fuerzas de corte reducidas, menor desgaste de la herramienta de corte y mejor acabado. Además, otro factor que indica una buena maquinabilidad de un material es la posibilidad de poder controlar fácilmente la longitud de la viruta resultante. Los factores que suelen mejorar la resistencia de los materiales a menudo degradan su maquinabilidad. Por lo tanto, para una mecanización económica, los ingenieros se enfrentan al reto de mejorar la maquinabilidad sin perjudicar la resistencia del material. En algunos casos, la dureza y la resistencia del material se consideran como los principales factores a evaluar. Los materiales duros son generalmente más difíciles de mecanizar pues requieren una fuerza mayor para cortarlos. Sobre estos factores influyen propiedades del material como su composición química, conductividad térmica y su estructura microscópica. Condiciones de corte: Velocidad de corte: Es el que permite que el filo de la herramienta entre en contacto con el material, produciendo viruta. Este movimiento es el que consume la mayor potencia en el proceso de mecanizado. La velocidad de corte se expresa en metros/minuto. La velocidad adecuada de corte depende de varios factores y en ningún caso se debe superar la que aconsejan los fabricantes de las herramientas. Vc se considera alta si Vc es mayor a 30 m/min. En el caso de maquinas con movimiento giratorio (Tomo, Taladro, Fresadora, etc.), la velocidad de corte está dada por:

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Vc 

 * D(mm) * n(rev / min)  mm  1000   m 

(m/min)

En donde: D = diámetro de la pieza (mm) n = número de revoluciones por minuto a que gira la pieza o la herramienta (rev/min). Vc = m/min La velocidad de corte es un parámetro directamente relacionado con la economía de mecanizado. Para máquinas con movimiento alternativo (Cepillos, Escoplos, Brochadoras, etc.), la velocidad de corte corresponde a la velocidad media y está dada por:

Vc 

L T

en donde: L = distancia recorrida por la herramienta o la pieza (m). T = tiempo necesario para recorrer la distancia L (min). Avance: Es el desplazamiento que permite junto con la Vc la remoción de material. Se considera alto si f es mayor a 0.5 mm/rev. Profundidad: Es la distancia que penetra el filo de la herramienta en el material. En el caso de piezas circulares se calcula a través de:

p

Df  Di 2

en donde: Di = Diámetro inicial de la pieza (mm). Df = Diámetro final de la pieza (mm). En el caso de trabajar superficies planas (Fresado, Cepillado y Rectificado de superficies planas), la profundidad de corte se obtiene de la siguiente forma:

p  E e en donde: E = espesor inicial de la pieza (mm). e = espesor final de la pieza (mm). Se considera una p alta si supera los 3 mm.

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Tipos de mecanizado. Según el acabado superficial con el que se ha de obtener la pieza terminada, se distinguen tres tipos de mecanizado: Desbastado: El material eliminado es del orden de milímetros o décimas de milímetros, cuya finalidad es aproximar las dimensiones de la pieza a la medida final, en el menor tiempo posible desplazando la cuchilla de corte con altos avances. Acabado: Con el objetivo de obtener, no solo las medidas finales de la pieza, sino también poca rugosidad en la superficie, el material eliminado es del orden de centésimas de milímetro utilizando cuchillas de corte que trabajaran con bajos avances y altas velocidades de corte. Superacabado o rectificado: Con la finalidad de alcanzar medidas muy precisas y buen acabado superficial, el material rebajado es del orden de milésimas de milímetro y las velocidades de corte, con que se trabaja son muy altas, desprendiéndose partículas de material por abrasión. Diseño de herramientas. Las operaciones de maquinado se realizan usando herramientas de corte. Las altas fuerzas y temperaturas durante el maquinado crean un ambiente muy agresivo para la herramienta. Las fuerzas de corte demasiado grandes fracturan la herramienta. Si la temperatura de corte se eleva demasiado, el material de la herramienta se ablanda y falla. Y si ninguna de estas condiciones ocasionan falla de la herramienta, de cualquier manera hay una acción continua de desgaste de la herramienta de corte que la conduce finalmente a la falla. El diseño de las herramientas de corte tiene 2 aspectos principales: 1) el material de la herramienta y 2) la geometría de la herramienta. La primera se refiere al desarrollo de materiales que puedan soportar las fuerzas, las temperaturas y la acción de desgaste en el proceso de maquinado. La segunda se ocupa de optimizar la geometría de la herramienta de corte para el material de la cual está hecha y para una operación dada. En relación a lo planteado es necesario que la herramienta de corte cumpla las siguientes funciones:  Garantizar la obtención de medidas precisas y superficies bien acabadas.  Mecanizar cualquier tipo de material.  Ofrecer máximo rendimiento con el mínimo desgaste.  Disponer de una larga duración del filo de corte, ya que se ahorran afilados.  Lograr que la viruta salga fácilmente.  Capaz de absorber elevadas temperaturas.  Soportar grandes esfuerzos de corte sin deformarse.  Resistentes al desgaste. Estas características se alcanzan haciendo un diseño adecuado de la herramienta (selección adecuada del material y de la geometría), basándose en los siguientes aspectos:

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  

Tipo de operación a realizar. Tipo de material de la pieza. Tipo de máquina-herramienta a utilizar.

Clasificación de las herramientas Las herramientas de corte se pueden clasificar en función del número de filos en:  Monofilo: un filo (buril). Las herramientas monofilo poseen una geometría que consta básicamente de cuatro (04) partes principales: 1. Cara o superficie de desprendimiento: Es la superficie sobre la cual fluye la viruta. 2. Flanco o superficie de incidencia: Es la superficie de la herramienta que enfrenta a la superficie recién generada en la pieza. 3. Filo: Es la parte que realiza el corte. 4. Vástago: es la superficie por la cual se sujeta la herramienta

En relación a los ángulos, se distinguen tres (03) ángulos principales:

Angulo de incidencia α: Evita el rozamiento entre la superficie de incidencia y la superficie mecanizada de la pieza. Afecta básicamente la vida de la herramienta y el acabado superficial. Si el ángulo tiene un valor muy bajo disminuye la vida de la herramienta ya que posiblemente se genere roce. Si el ángulo tiene un valor muy elevado genera una sección de filo débil que produce la fractura del filo, y lo por lo tanto la calidad superficial de la pieza disminuye. Si la dureza pieza aumenta el ángulo de incidencia debe disminuir. Angulo de filo β: Determina que tan punzante es la herramienta y al mismo tiempo que tan débil es. Define la resistencia de la herramienta y su capacidad para conducir calor,

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depende de los valores de α y γ. Para valores pequeños la herramienta penetra mejor en la pieza pero corre el riesgo de romperse el filo (menor capacidad para conducir calor y resistir esfuerzos de corte). Su valor debe aumentar al aumentar la resistencia de la pieza, siendo mayores para materiales duros y menores para materiales blandos. Suele tener redondeo o chaflán. Angulo de desprendimiento γ: afecta la capacidad de la herramienta para cortar el material de trabajo y formar viruta. Garantiza el desalojo de la viruta, por lo que también disminuye el roce de esta con la herramienta. Al aumentar el ángulo de desprendimiento, disminuyen los esfuerzos de corte y por tanto el consumo de potencia, pero hace que la sección del filo sea débil. 

Multifilo: doble filo en hélice (broca), filos múltiples (fresas y seguetas), filos indefinidos (esmeril).

La fresa presenta una geometría como la que se muestra a continuación. En relación a sus partes:

En relación a sus ángulos, son los mismos 3 ángulos presentes en la herramienta del torneado (buril).

La forma básica de un filo de fresa es la cuña, que en cuanto a sus ángulos se corresponde con los de la herramienta del torno. También en el fresado, el material a trabajar y el tipo del trabajo, determinan los ángulos de filo. Estos dependen además del procedimiento de fresado. En el fresado paralelo el ángulo de filo es más puntiagudo; el ángulo de desprendimiento tiene que ser más empinado (20 a 22°). El ángulo de incidencia se elige de 6°. Las fresas para metales

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ligeros van provistas, con objeto de conseguir un buen arranque de viruta, de huecos entre dientes especialmente grandes y redondeados. Para materiales duros se emplean fresas con muchos dientes, lo cual lleva consigo la existencia de huecos pequeños entre diente y diente: arrancan sólo virutas pequeñas. En el taladrado la herramienta se llama broca. Las partes principales de una broca helicoidal son:

El torneado: Los principales procesos que se pueden realizar en un torno son: 

Cilindrado: es una operación realizada en el torno mediante la cual se reduce el diámetro de la barra de material que se está trabajando.



Refrentado: es una operación mediante la cual se reduce la longitud de la barra de material que se está trabajando, generando una superficie plana en uno de los extremos de la pieza.

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

Ranurado: es una operación realizada en el torno mediante la cual se realiza una ranura o canal sobre la pieza.



Roscado: consiste en mecanizar unas ranuras cilíndricas de anchura y profundidad variable en las piezas que se tornean, las cuales tienen muchas utilidades diferentes. En este caso la herramienta tiene ya conformado el ancho de la ranura y actuando con el carro transversal se le da la profundidad deseada.

Las condiciones de corte en el torneado son: Velocidad de rotación (N):

N

v  * Do

Donde: N= velocidad de rotación (rev/min) v= velocidad de corte (ft/min – m/min) Do= diámetro inicial de la pieza (ft – m) Profundidad de corte (d):

Do  Df  2d

Donde: Df= diámetro inicial de la pieza (ft – m)

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Do= diámetro inicial de la pieza (ft – m) d= profundidad de corte (ft – m) Velocidad de avance (fr):

fr  N * f

Donde: N= velocidad de rotación (rev/min) fr= velocidad de avance (plg/min – mm/min) f= avance (plg/rev – mm/rev) Tiempo de maquinado (Tm):

Tm 

L fr

Donde: Tm= tiempo de maquinado (min) fr= velocidad de avance (plg/min – mm/min) L= longitud de la pieza (plg – mm) Velocidad de remoción de material (MRR):

MRR  v * f * d Donde: f= avance (plg/rev – mm/rev) d= profundidad de corte (ft – m) v= velocidad de corte (ft/min – m/min) MRR= velocidad de remoción de material (plg 3/min – mm3/min) El fresado: La operación de maquinado realizada se llama fresado, y en ella se hace pasar una pieza de trabajo en frente de una herramienta cilíndrica rotatoria con múltiples filos cortantes (llamada fresa). Existen fundamentalmente dos tipos de fresado: Fresado periférico o plano: en el cual el eje de la herramienta es paralelo a la superficie que se está maquinando.

En el fresado periférico hay dos direcciones opuestas de rotación que puede tener la fresa con respecto al trabajo:  Fresado ascendente (convencional): la dirección de movimiento de la fresa es opuesto a la dirección de avance.

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

Fresado descendente (escalamiento): la dirección de movimiento de la fresa es la misma que la dirección de avance.

Fresado frontal: en el cual el eje de la herramienta es perpendicular a la superficie que se está maquinando.

Las condiciones de corte en el fresado son: Velocidad de rotación (N):

N

v  *D

Donde: N= velocidad de rotación (rev/min) v= velocidad de corte (ft/min – m/min) D= diámetro exterior de la fresa (ft – m) Velocidad de carga de viruta (avance) (fr):

fr  N * nt * f Donde: N= velocidad de rotación (rev/min) fr= velocidad de avance (plg/min – mm/min) nt= numero de dientes de la fresa f= carga de viruta (plg/diente – mm/diente) Velocidad de remoción de material (MRR):

MRR  w * d * fr Donde: w= ancho de la pieza de trabajo (ft – m) d= profundidad de corte (ft – m) fr= velocidad de carga de viruta (plg/min – mm/min)

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MRR= velocidad de remoción de material (plg 3/min – mm3/min) Distancia de aproximación para alcanzar la velocidad de corte completa (A):

A  d * (D  d ) Donde: A= distancia de aproximación para alcanzar la velocidad de corte completa d= profundidad de corte (ft – m) D= diámetro exterior de la fresa (ft – m)

Tiempo de maquinado (Tm):

Tm 

L A fr

Donde: Tm= tiempo de maquinado (min) fr= velocidad de carga de viruta (plg/min – mm/min) A= distancia de aproximación para alcanzar la velocidad de corte completa L= longitud de la pieza (plg – mm) Para el fresado frontal: 1. cuando el fresador está centrado sobre la pieza de trabajo rectangular

AO

D 2

Donde: D= diámetro exterior de la fresa (ft – m) 2. cuando el fresador está desplazado a un lado de la pieza de trabajo rectangular

A  O  w * ( D  w) Donde: w= ancho de la pieza de trabajo (ft – m) El taladrado: De todos los procesos de mecanizado, el taladrado es considerado como uno de los procesos más importantes debido a su amplio uso y facilidad de realización, puesto que es una de las operaciones de mecanizado más sencillas de realizar y que se hace necesario en la mayoría de componentes que se fabrican. Las condiciones de corte en el taladrado son: Velocidad de rotación (N):

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N

v  *D

Donde: N= velocidad de rotación (rev/min) v= velocidad de corte (plg/min – mm/min) D= diámetro de la broca (plg – mm) Velocidad de avance (fr):

fr  N * f

Donde: N= velocidad de rotación (rev/min) fr= velocidad de avance (plg/min – mm/min) f= avance (plg/rev – mm/rev) Tiempo de maquinado (Tm): Los agujeros taladrados pueden ser agujeros completos o agujeros ciegos. En los agujeros completos la broca sale en el lado opuesto del trabajo. En los agujeros ciegos no es así. El tiempo de maquinado para un agujero completo se puede determinar de la siguiente manera:

Tm 

tA fr

Donde: Tm= tiempo de maquinado (min) t= espesor de la pieza (plg – mm) fr= velocidad de avance (plg/min – mm/min) A= tolerancia de aproximación que toma en consideración la punta de la broca.

  A  0.5D * tg  90   2  θ= ángulo de la punta de la broca Para un agujero ciego: en un agujero ciego la profundidad d se define como la distancia entre la superficie de trabajo y el punto más profundo del agujero.

Tm 

d fr

Tipos de Viruta: A partir de la apariencia de la viruta se puede obtener mucha información valiosa acerca del proceso de corte, ya que algunos tipos de viruta indican un corte más eficiente que otros. El tipo de viruta está determinado primordialmente por:  Propiedades del material a trabajar.  Geometría de la herramienta de corte.

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

Condiciones del maquinado (profundidad de corte, velocidad de avance y velocidad de corte).

En general, es posible diferenciar inicialmente tres tipos de viruta: Viruta discontinua: cuando se maquinan materiales relativamente frágiles (por ejemplo hierro fundido) a bajas velocidades de corte, altas profundidades y avances ó materiales dúctiles a bajas velocidades de corte y altos avances, la viruta se forma frecuentemente en segmentos separados. Esto tiende a impartir una textura irregular a la superficie maquinada. Una alta fricción herramienta viruta y los avances y profundidades grandes, promueven la formación de este tipo de viruta.

Viruta Continua: se suelen formar con materiales dúctiles a grandes velocidades de corte y/o grandes ángulos de desprendimiento. Aunque en general producen buen acabado superficial, las virutas continuas no siempre son deseables, en especial en las máquinas herramientas controladas por computadora. Tienden a enredarse en el portaherramientas, los soportes y la pieza, así como en los sistemas de eliminación de viruta, pueden ser difíciles de manejar y en consecuencia la herramienta debe contar con un rompevirutas que retuerce la viruta y la quiebra en tramos cortos.

Rompevirutas: La eliminación de la viruta es un problema que se encuentra frecuentemente en torneado y otras operaciones continuas. Frecuentemente se generan largas tiras de viruta, especialmente cuando se mecanizan materiales dúctiles a altas velocidades. Estas virutas representan un peligro para el operador de la maquina y para el acabado de la parte de trabajo, e interfieren con la operación del proceso de torneado. Con frecuencia se usa rompevirutas con las herramientas de punta sencilla de esta forma se fuerza a la viruta a enrollarse mas cerradamente de lo normal causando su fractura.

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Hay dos diseños comunes del rompevirutas para herramientas de torneado de punta sencilla: a) rompevirutas tipo muesca, diseñado dentro de la misma herramienta de corte; y b) rompevirutas tipo obstrucción, diseñado como un dispositivo adicional sobre la cara o superficie de desprendimiento de la herramienta. Este último se puede ajustar a diferentes condiciones de corte.

Viruta con filo recrecido: cuando se maquinan materiales dúctiles a velocidades bajas o medias, la fricción entre la herramienta y la viruta tiende a causar la adhesión de porciones de material de trabajo en la cara inclinada de la herramienta. La formación de esta acumulación es de naturaleza cíclica, se forma y crece, luego se vuelve inestable y se rompe.

Influencia del material trabajado en la formación de viruta: En función del tipo de materia de la pieza (frágil o dúctil) y de las condiciones de corte aunadas al proceso de mecanizado, se obtendrá un tipo de viruta distinta:  Materiales dúctiles mecanizados a altas velocidades de corte producen virutas continuas.  Materiales dúctiles mecanizados a bajas o medias velocidades de corte producen virutas con filo de aportación.  Materiales frágiles mecanizados a bajas velocidades de corte producen virutas discontinuas. Influencia de los ángulos en el desgaste de la herramienta: En general puede decirse que en condiciones de corte deficientes, las que se caracterizan por energía de corte y temperaturas elevadas, el desgaste de las herramientas es grande.

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Un aumento en el ángulo de desprendimiento generalmente conduce a un mejoramiento en las condiciones de corte en las condiciones de corte, por lo que se esperaría un aumento en la duración de la herramienta. Sin embargo, cuando el ángulo de desprendimiento es grande, el filo es mecánicamente débil, lo que resulta en un desgaste mayor por unidad de tiempo y una duración más corta de la herramienta. En compensación, para un conjunto fijo de condiciones de corte, existe un valor óptimo de ángulo de desprendimiento que aumenta la duración de la herramienta.

Influencia de los ángulos en la formación de viruta: Básicamente el ángulo que define el tipo de viruta que se produce el de desprendimiento. La viruta discontinua y con acumulación de borde generalmente se produce cuando los ángulos de desprendimiento son pequeños. Este tipo de virutas puede ser controlado empleando ángulos de desprendimiento, velocidades de corte y avances mayores, asi como también con una buena lubricación. Desgaste de la herramienta: Las herramientas durante el trabajo están sometidas a las acciones siguientes:  Grandes esfuerzos localizados  Altas temperaturas  Deslizamiento de la viruta por la superficie de ataque  Deslizamiento de la herramienta de trabajo por la superficie mecanizada Estas condiciones inducen el desgaste de la herramienta que, a su vez, afecta en forma negativa la vida de la herramienta, la calidad de la superficie mecanizada y su exactitud dimensional, y en consecuencia la economía de las herramientas de corte. En general, el desgaste de la herramienta es un proceso gradual, muy parecido al desgaste de la punta de un lápiz ordinario. Básicamente hay tres regiones:  Periodo de rompimiento: el borde cortante se desgasta rápidamente al entrar en uso.  Región de desgaste estable: desgaste a una velocidad mas o menos gradual.  Región de falla: debido al desgaste del filo la eficiencia general del proceso de maquinado se reduce.

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La rapidez del desgaste depende de los materiales de la herramienta y de la pieza, la forma de la herramienta, el fluido de corte, los parámetros del proceso (como la velocidad de corte, avance y profundidad de corte) y las características de la máquina herramienta. Formas de falla en una herramienta de corte: Hay tres formas posibles de falla en una herramienta de corte en maquinado:  Falla por fractura: ocurre cuando la fuerza de corte se hace excesiva en la punta de la herramienta, causando repentinamente la fractura.  Falla por temperatura: ocurre cuando la temperatura de corte es demasiado alta para el material de la herramienta, causando ablandamiento en la punta, deformación plástica y pérdida del filo  Desgaste gradual: por el uso de la herramienta se produce la pérdida del filo que trae como consecuencia la reducción de la eficiencia de corte y el aumento de la temperatura de corte. Las fallas por fractura y temperatura dan como resultado una perdida prematura de la herramienta de corte. Estas dos formas de falla son por tanto indeseables. De las tres posibles formas de falla, es preferible el desgaste gradual, debido a que este permite una mayor utilización de la herramienta con la ventaja económica asociada a un uso más prolongado. La calidad del producto también debe considerarse cuando se intenta controlar las formas de falla de la herramienta. La falla repentina de la punta de la herramienta durante un corte causa frecuentemente daños a la superficie del trabajo. Este daño requiere volver a trabajar la superficie o posiblemente desechar la parte. El daño se puede evitar si la selección de las condiciones de corte favorece el desgaste gradual de la herramienta y evitan la fractura o la falla por temperatura, o si la herramienta se cambia antes que ocurra una falla grave del filo de corte. Tipos de desgate gradual: El desgaste gradual ocurre en dos lugares principales de la herramienta de corte: en la cara o superficie de desprendimiento y en el flanco o superficie de incidencia. Por tanto se pueden distinguir dos tipos de desgaste gradual: 

Desgaste en cráter: es una sección cóncava que se produce en la superficie de desprendimiento, producida los altos esfuerzo y altas temperaturas que se generan por la acción del deslizamiento de la viruta por la superficie. Este tipo de desgaste se mide por su profundidad o por su área.

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

Desgaste del flanco: se produce en el flanco por el rozamiento entre la recién creada superficie de trabajo y la cara de la superficie de incidencia adyacente al filo. Este tipo de desgaste se mide por el ancho de la banda de desgaste.

Mecanismos de desgaste El mecanismo específico que ocasiona el desgaste de la herramienta se puede resumir como:  Abrasión: generada por la fricción producida entre el material de trabajo y la herramienta. Es producto de una acción mecánica.  Adhesión: pequeñas partículas de la viruta se desprenden, y debido a alta temperatura se adhieren a la herramienta.  Difusión: intercambio de átomos en límite herramienta-viruta, que hace que la herramienta quede agotada de los átomos que le imparten su dureza, por lo que la superficie se vuelve más susceptible a la abrasión y adhesión. Este es el principal mecanismo de desgaste del cráter.  Deformación plástica: las fuerzas de corte que actúan en el filo a altas temperaturas, hacen que este se deforme plásticamente. La deformación plástica contribuyen principalmente al desgaste del flanco. Ecuación de Taylor (relación entre la velocidad de corte y la vida de la herramienta) La vida de la herramienta se define con el tiempo en el cual es posible usar la herramienta para efectuar corte. Una forma de definir la vida de la herramienta consiste en permitir su operación hasta que ocurra una falla catastrófica, sin embargo esto genera una inconveniente debido a las dificultades para el reafilado y afecta negativamente el acabado superficial. Como alternativa se puede seleccionar un nivel de desgaste como criterio de vida de la herramienta y reemplazarla cuando el desgate alcance ese nivel. La velocidad de corte es el factor que más significativamente afecta la duración o vida de la herramienta para una combinación dada de material de trabajo, material de la herramienta y condiciones de corte para una operación particular. En el estudio de la optimización de los procesos de corte es necesario conocer la relación entre la duración de la herramienta y la velocidad de corte para las condiciones de trabajo. El trabajo inicial acerca de este tema fue realizado por Taylor, quien planteo una relación empírica denominada ecuación de Taylor que puede escribirse como:

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v *t n  C Donde: n= constante que depende del material de la herramienta C= constante que depende del material de la pieza y de las condiciones de corte t= vida de la herramienta (min) v= velocidad de corte (ft/min – m/min) La ecuación anteriormente especificada trae consigo el problema de la inconsistencia de unidades, por ello se debe expresar de la siguiente forma:

 

n v * t n  C * t ref

De donde: n= constante que depende del material de la herramienta C= constante que depende del material de la pieza y de las condiciones de corte t= vida de la herramienta (min) v= velocidad de corte (ft/min – m/min) tref= valor de referencia / si v (ft/min o m/min) y t (min) = tref = 1 min / si v (m/seg) y t (seg) = tref = 60 seg Teoría de Kronenberg (relación entre la velocidad de corte y la vida de la herramienta) En este caso se utiliza sección S = b·h y la esbeltez E = b/h para el cálculo de la expresión de Taylor y sus coeficientes. El criterio adoptado para la vida de la herramienta es el adoptado por Taylor, es decir, el de caída del filo, por lo tanto permanecerá constante para cada par material de la herramienta-material de la pieza, geometría de la herramienta, tipo de operación, etc. Sin embargo, para el cálculo de las constantes en las cuales Taylor adoptaba una vida de la herramienta de 1 min., Kronenberg adopta una vida de 60 min. n x  y /2 k VB E 4 v xy/2 n S T VB

La ecuación anterior es la ecuación de Kronenberg y si en ella se hace:

x  y  / 2  g x  y  / 2  F VB n  K 4  K  60 n / 5 Se obtiene finalmente:

v

K  E / 5

g

S F  T / 60

n

La ecuación anterior está calculada para trabajos de torneado y análogos. K es la velocidad de corte en m./min.; los valores de K y las potencias de S, E y T están

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calculados y tabulados para el mecanizado de aceros y fundiciones, mediante herramientas de acero rápido y metal duro. También se encuentran tabulados los valores correspondientes a materiales no férreos. Además, también se encuentra tabulada la geometría de la herramienta de corte. A modo de ejemplo, damos algunos de los valores: S = 1 mm2. E = 5. T = 60 min. g = 0.14 para aceros. 0.10 para fundiciones. F = 0.28 para aceros. 0.20 para fundiciones. n = 0.15 para aceros rápidos. 0.30 para carburos metálicos. 0.7 para herramientas de cerámica. Criterios de duración de una herramienta: Este concepto está referido a los aspectos que deben considerarse para evaluar el desgaste. En las operaciones de mecanizado el desgaste del cráter y el flanco no es uniforme a lo largo del filo, por lo que es necesario especificar las localizaciones y el grado de desgaste antes de reafilar la herramienta. La norma ISO establece unos criterios estándares para determinar el nivel de desgaste de una herramienta de filo único en el torneado. Estos criterios se establecen según el material de la herramienta:  Para herramientas de acero rápido o cerámica: si el ancho promedio de la zona de desgaste en el flanco en encuentra entre 0.3 mm y 0.6 mm como máximo.  Para herramientas de carburo sinterizado: si el ancho promedio de la zona de desgaste en el flanco en encuentra entre 0.3 mm y 0.6 mm como máximo; o si la profundidad de cráter (KT) cumple con la relación KT=0.06 + 0.3f (donde f = avance). Criterios para la vida de la herramienta en producción:        

La falla completa del borde cortante La inspección visual que realiza el operador al degaste del flanco. La prueba al tacto del filo de corte. Los cambios de sonio emitidos por la operación. Producción de viruta larga y enmarañada. Degradación del acabado superficial. Mayor consumo de potencia. Mayor tiempo de corte.

Falla prematura de una herramienta: La falla prematura está asociada a aspectos como:

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    

Rotura del filo al dejar caer la herramienta. Rotura del filo por suministrar súbitamente una gran profundidad de corte que pueda fracturar la pastilla. Variaciones de temperatura de corte bruscas (por ejemplo cuando se aplica un refrigerante localizado). Afilado inadecuado. Técnicas de soldadura no adecuadas (en el caso que por el tipo de herramienta aplique).

Efecto del filo recrecido: La presencia de filo recrecido en la cara de la herramienta puede afectar el desgaste de forma positiva o negativa. Al romperse el filo recrecido inestable los fragmentos se adhieren a la viruta y a la superficie generada en la pieza, lo cual hace que aumente la fricción y haya más desgaste. Sin embargo, cuando se cortan metales muy duros el filo recrecido estable protege del desgaste la herramienta. En el caso de herramientas de carburo, es posible que la presencia del filo recrecido genere una falla súbita al desprenderse llevándose consigo una porción de la herramienta. Influencia del material de trabajo El material de trabajo es quien va a definir el material y geometría de la herramienta a emplear, sección de la viruta y su forma, tipo de operación, tipo de elaboración y grado de terminación superficial de la pieza mecanizada, clase y rigidez de la máquina-herramienta que se debe utilizar, así como también las condiciones de corte (velocidad de corte, avance y profundidad). Cuanto más duro sea el material de trabajo, mayores serán las fuerzas de corte y, por tanto, tendrá que ser mayor la sección de la herramienta capaz de resistir estos esfuerzos. También estará presente el factor de la elevada temperatura, por lo cual podrá ser necesario el empleo de un fluido de corte adecuado al proceso de mecanizado que des está desarrollando. Influencia de las Condiciones de Corte (Velocidad, Avance y Profundidad). Profundidad ¿Qué sucede si la profundidad de corte es muy grande? (Mayor a 3 milímetros)    

En la cara desgaste por abrasión, y en el flanco no existe mucho efecto de desgaste. No genera alta temperatura al principio del corte pero aumenta exponencialmente en muy poco tiempo por el efecto de la abrasión, produciendo ablandamiento térmico del material de la herramienta acelerando el desgaste. Incremento de la energía consumida por operación por tener una sección de viruta mayor. En los materiales muy dúctiles se genera un filo recargado.

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        

Se genera un calentamiento alto por conducción en la pieza que la afecta con la relación a la rectitud para piezas largas Incremento del coeficiente y de la fuerza de fricción por tener una sección mayor de la viruta Produce rayas superficiales y mal acabado a bajas velocidades. Se presenta en la superficie terminada zonas de desgarro de material Desajuste y reducción de la vida en la máquina herramienta. Desgaste de guías por alta fuerza de empuje requerida en el corte. Menor tiempo de producción por pieza Mayores costos de reacondicionamiento Menor vida de la herramienta

¿Qué sucede si la profundidad de corte es muy pequeña? (menor a 3 milímetros)            

En la cara no presenta mucho efecto de desgaste, mientras en el flanco el desgaste se da por abrasión. Se genera alta temperatura al principio del corte concentrada en el filo Produce ablandamiento térmico del material de la herramienta acelerando en el flanco. Incremento de la energía consumida por operación por tener una vida útil de la herramienta muy pobre con incremento dimensional y cambio de tolerancias En los materiales muy dúctiles se genera un filo recargado a baja velocidad Incremento del coeficiente de fricción y de la fuerza de avance por tener una herramienta con efecto aplastante. Produce rayas superficiales y mal acabado a altas y bajas velocidades. En la superficie terminada se presenta zonas de incrustación de material. Mayor tiempo de producción por pieza Mayores costos de reacondicionamiento Menor vida de la herramienta Malos acabados.

Avance: ¿Qué sucede si el avance de corte es muy grande? (mayor a 0.5 milímetros por revolución)  Mayor será la sección o área de viruta que se produce.  Generación de mayor temperatura.  Aumenta el desgaste de la cara.  Disminuye el desgaste del flanco.  En materiales dúctiles produce el filo recargado.  Origina fuerzas mayores  Mayor deformación de la viruta.  No se produce perdida de tolerancias ya que el desgaste es de cara.  Facilita la evaluación de virutas en materiales dúctiles.  Genera una superficie trabajada irregular en los materiales frágiles. ¿Qué sucede si el avance de corte es muy pequeño? (menor a 0.5 milímetros por revolución)  Menor será la sección o área de viruta que se produce.

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Generación de menor temperatura en la cara. Mayor temperatura en el flanco. Menor consumo energético. Disminuye el desgaste de la cara. Aumenta el desgaste de flanco. En materiales dúctiles no produce el filo recargado. Origina fuerzas pequeñas. Mayor deformación de la viruta, como en el caso de “muy grande”. Perdida de tolerancias más rápida ya que el desgaste es de flanco. Produce embotamiento en la evacuación de virutas en materiales dúctiles. Genera una superficie trabajada irregular en los materiales frágiles y dúctiles.

Velocidad de corte: ¿Qué sucede si la velocidad de corte es muy grande? (mayor a 30 metros por minuto)  Desgaste muy rápido del filo de corte de la herramienta  Deformación plástica del filo de corte con pérdida de tolerancia del mecanizado  Calidad del mecanizado deficiente ¿Qué sucede si la velocidad de corte es muy pequeña? (mayor a 30 metros por minuto)  Tiempo de entrega de los trabajos  Formación de filo de aportación en la herramienta.  Efecto negativo sobre la evacuación de viruta  Baja productividad  Coste elevado del mecanizado Relación entre: Desgaste de Herramienta, Calidad de la Superficie y Energía Consumida. Si la herramienta de corte se encuentra desgastada, la calidad superficial no va a ser buena, en vista que producirá un acabado rugoso. Al perder el filo de la herramienta, se requiere una fuerza de corte mayor por lo cual el consumo de potencia de la máquina herramienta se incrementa Materiales para la herramienta de corte: La elección del material es uno de los problemas más delicados ya que los factores que intervienen son tanto de índole técnica como económica. Como el tipo de material está estrechamente ligado a la velocidad de corte a adoptar y ésta a su vez depende de la temperatura a la que se someterá a la herramienta, ello determina una correspondencia entre materiales y tiempo de mecanizado. Por otra parte, los materiales para herramientas que permiten velocidades mayores y, por tanto, tiempos menores tiene un coste superior. Los requisitos a considerar para las herramientas de corte son las siguientes:  Dureza a elevada temperatura: Un material para cortar a otro debe ser más duro que éste, y debe ser capaz de mantener esa dureza con las elevadas temperaturas del proceso de corte.  Resistencia al desgaste: para resistir el desgaste abrasivo, el material debe poseer una elevada dureza.

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Tenacidad: el material debe ser capaz de absorber energía para evitar las fallas por fractura.

Entre los principales materiales se encuentran: Aceros al carbono: En la actualidad se usan esporádicamente en las aplicaciones industriales del maquinado de metales. Poseen un alto contenido de carbono (de 0,9 al 1,4%), por lo que si están correctamente tratadas térmicamente estas herramientas poseen gran dureza, buena tenacidad y resistencia al desgaste. Tienen una dureza en caliente muy pobre lo cual los hace inútiles en el corte de metales, excepto a velocidades demasiado baja según los estándares actuales, ya que no pueden emplearse cuando trabajen a temperaturas superiores a 250C°. Aceros aleados: Además del carbono contienen elementos como cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. En su mayoría se ablandan y desafilan a temperaturas superiores a los 250°C. Existen tres tipos principales:  Indeformables. Se emplean para la conformación de piezas de precisión.  Al wolframio. Se emplean para fabricación de brocas.  Semirápidos. Las herramientas que contienen un 9 a 11% de wolframio y 3,5 a 4,5 de cromo se emplean en la fabricación de cuchillas con rendimiento y velocidad de corte muy poco inferiores a las de los aceros rápidos. Aceros rápidos: Trabajan a temperaturas hasta de 600°C manteniendo su dureza, lo cual permite disponer de velocidades de trabajo mayores que las de los demás aceros. Se dividen en dos grupos:  Tipo tungsteno, designado como grado T: Contienen tungsteno como principal ingrediente de aleación (12 – 20%).  Tipo molibdeno, designado como grado M: Contienen combinaciones de tungsteno y molibdeno en una combinación típica de 6% y 5% respectivamente. Ambos elementos contribuyen a incrementar la dureza en caliente y la resistencia al desgaste. Carburos metálicos: Están compuestos por carburos de wolframio y un metal auxiliar generalmente cobalto que sirve de aglomerante. Las herramientas fabricadas solamente con WC-Co no se pueden usar de manera efectiva para maquinar acero, ya que existe una fuerte afinidad química entre los materiales que provoca un desgaste acelerado por adhesión y difusión, por lo que hay otros tipos que además de carburo de wolframio contienen otros carburos de titanio, de tántalo, etc. y el metal auxiliar.

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Diamantes: dentro de sus aplicaciones se incluyen el maquinado a alta velocidad (operaciones de acabado) de metales no ferrosos. No es práctico maquinar el acero y otros metales ferrosos, debido a la afinidad química que existe entre estos metales y el carbono. Tienen el inconveniente de la fragilidad del diamante, de ahí que su empleo quede limitado a pasadas continuas y en máquinas carentes de vibraciones. Materiales cerámicos: Bajo la denominación de materiales cerámicos o cerámicas de corte, se pueden considerar:  Cermets: Son materiales sinterizados constituidos por un componente no metálico (óxidos, silicatos, carburos de silicio y de cromo) y por componentes metálicos de elevado punto de fusión, como molibdeno, cromo o vanadio. Las aplicaciones incluyen acabados a altas velocidades y semiterminados de aceros, aceros inoxidables y fundiciones de hierro.  Óxidos sinterizados (cerámicos): Se presentan en forma de plaquitas que se emplean soldadas a sus mangos con resinas epoxi o bien sujetas por medios mecánicos. Se emplean en el torneado de fundiciones y aceros. También para mecanizar el cobre, sus aleaciones y metales ligeros. Se pueden usar para operaciones de acabado en el torno, donde las velocidades de corte son altas y tanto el avance como la profundidad de corte son bajos Nitruros de boro cúbico: La plaquita está constituida por un soporte de carburo con una fina capa de nitruro de boro cúbico. La dureza de este material es superada sólo por el diamante. Es frágil pero poco reactivo con la pieza. Su elevada estabilidad térmica le permite trabajar durante largos periodos de tiempo a temperaturas de 1000 a 11000°. Con este material se pueden mecanizar ventajosamente las aleaciones de níquel a gran velocidad. Tratamientos térmicos de las herramientas: Uno de los grandes avances en el mecanizado de los metales lo constituyo el descubrimiento del tratamiento térmico usado en la producción de la herramienta de corte de acero rápido, realizado por Taylor. Dichas herramientas presentan una mejor resistencia al desgaste, lo cual posibilito el aumento en la remoción de metal por unidad de tiempo. El HSS fue descubierto en 1897 por Frederik Winslow Taylor, Ingeniero americano creador del taylorismo. Descubrió tras muchos experimentos, que añadiendo Wolframio a un acero aleado en una proporción 18-8 aumentaba su punto de fusión desde 500 ºC hasta 800 ºC. Pensado como acero de herramienta pudo aumentar la velocidad de corte habitual de 10 m/min hasta 40 m/min Los Acero Rápidos (HSS) tienen altos niveles de dureza y muy buena resistencia al desgaste a altas temperaturas de laminación. Esta calidad se produce por el método de Doble Colada Centrifugada (CC Duplex) y el material del núcleo es hierro de Grafito Esferoidal (SG) Perlítico. Su composición y subsecuente tratamiento térmico aseguran una dureza uniforme a lo largo de su vida útil, mientras que la estructura de carburos complejos de Vanadio,

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Tungsteno, Niobio y Molibdeno en una matriz martensítica garantizan un desgaste uniforme así como una alta resistencia al desgaste. Las herramientas de acero se templan siempre y revienen para darles la dureza y tenacidad adecuadas. Algunas veces las herramientas de aceros rápidos una vez templadas y revenidas, se someten a tratamientos superficiales como son la nitruración o sulfinización para darles mayor dureza y resistencia al desgaste. Existe otro tratamiento superficial, el cromado duro el cual aumenta la resistencia al desgaste y disminuye el coeficiente de rozamiento. Pero se utiliza más para la restauración de herramientas desgastadas. Temple: Este es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento generalmente rápido para conseguir dureza y resistencia mecánica del acero. Se realiza a temperaturas muy elevadas, de unos 1,250 ºC cercanas a la del punto de fusión. El medio de enfriamiento más adecuado son: aire aceite, agua, baño de plomo, baño de mercurio y baño de sales fundidas. Revenido: Es un tratamiento complementario del temple, que generalmente sigue a éste. El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero después de normalizado o templado, a una temperatura inferior al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado para reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones. El acero templado se vuelve frágil, siendo inútil en estas condiciones, por eso se aplica el revenido. Esta operación viene es para que las tiranteces y tensiones generadas en el acero no tengan tiempo de actuar provocando deformaciones o grietas. Características del proceso de corte:      

Herramienta de corte: material y geometría. Fluido de corte: tipo y cantidad Pieza de trabajo: material, geometría, rigidez, entre otros. Fijación de la herramienta y de la pieza: rigidez, fuerzas, entre otros. Condiciones de corte: avance, velocidad de corte y profundidad. Maquina-herramienta: potencia, rigidez, entre otros.

Los factores básicos en la formación de la viruta son: la herramienta (material y geometría), el material de trabajo (material, geometría, rigidez) y las condiciones de corte.

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